详解MOS管一维突变p-n结的雪崩击穿电压及主要原因

对于在饱和漏电流区工作的MOS器件，如果不断地增加漏极外加电压，则漏极电压最终将增高到足以产生漏二极管的雪崩击穿，且能看到漏电流迅速增加。众所周知，在反偏压p-n结上发生雪崩击穿时的电压在很大程度上依赖于结的高电阻率一侧的掺杂浓度，特别是将随掺杂浓度的增加而下降。MOS管PN结雪崩击穿。这点不难从图4.20看出，其中总结了由麦凯（Mckay）¹⁰提出的实验数据，表明n⁺p或p⁺n一维硅阶跃结二极管雪崩击穿电压与结的轻掺杂一侧的有效杂质浓度的函数关系。然而，在MOS场效应晶体管结构中，有代表性的雪崩击穿漏电压观测值，通常大大低于根据图4.20所示数据得出的值。

一般来说，典型的MOS场效应晶体管器件的漏二极管的击穿电压，除了在很大程度上依赖于衬底杂质掺杂浓度外，同时也发现要受漏区扩散曲率最大的各点（因此就是结深）以及沟道漏端附近的耗尽层与栅极距离很大影响。后两种影响是漏二极管的雪崩击穿电压低于图4.20的预期值的主要原因。

MOS管一维突变p-n结的雪崩击穿

就实际应用来说，当p-n结受反向偏压时，所有外加电压实际上都加在整个耗尽区上，因而所生成的全部电场都局限在这个区内。就一维阶跃结的情况来说，已经证明电场强度在耗尽区内随距离而呈线性变化，在结的边界处达到最大值¹¹。当反向偏置结上的电压增加时，耗尽区宽度随结上总电压的平方根而增加，结果耗尽区内电场强度也增加。当反向偏压高到足够在耗尽区内产生临界电场强度时，就会发生雪崩击穿。（击穿时临界电场强度的数值随结的轻掺杂一侧的杂质浓度而缓慢变化，典型的情况是：当轻掺杂一侧的杂质浓度为N≈10¹⁶/厘米³时，对于一维硅阶跃结，最大击穿电场近似等于4×10⁵伏/厘米）¹²。雪崩击穿过程是由于耗尽区内强度极高的电场使自由载流子迅速加速所造成的。MOS管PN结雪崩击穿。平均而言，每一载流子在电场中被加速时移动的距离为λ，这是平均自由程。然后载流子就要同晶格中的硅原子或杂质原子碰撞而被散射。假如电场强度足够高（亦即等于或大于临界电场），载流子就被加速到很高的速度，以致使下一次碰撞时产生更多的载流子。例如，穿过耗尽区的一个电子可被高强度电场加速到足够高的速度（并获得相应的动能），而随即同一个原子碰撞时剥裂该原子的一个外层电子。这样就有了两个电子，两者又被高强度电场加速而同其它原子碰撞，然后又剥裂更多的电子。这个过程继续下去就产生连锁反应。由于自由电子浓度迅速上升，使与结有关的观察的反向漏泄电流急剧增加。反向偏压超过一定数值后所发生的此种反向电流迅速增加的现象即称为雪崩击穿。雪崩过程只能在电场强度足够高，高到使电子加速到速度υo并运动一段与平均自由程相等的距离时发生。这样在即将碰撞时有

式中为电子质量，υ_f为第一个电子刚碰撞之后的末速度，为被电子碰撞的硅原子的束缚外层电子的电离能。反向偏压越高，耗尽区内的电场强度也越高，雪崩过程就更加容易发生，而且反向电流也就越大。当反向偏压达到击穿电压VB时，即发生完全击穿。对于非对称的阶跃结，如果结的一侧的掺杂浓度高出另一侧浓度若干数量级，对实用来说随反向偏压的增加，耗尽区几乎完全扩展到轻掺杂一侧。于是，由此可知耗尽区宽度、耗尽区内的电场强度和雪崩击穿电压，在考虑一级效应时，只取决于结的轻掺杂一侧的掺杂浓度而与重掺杂一侧的浓度几乎完全无关。

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